張 佳，楊理踐，邢燕好，高松巍，趙 璐，謝 哲，付宏文

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

0 引言

管道廣泛應(yīng)用于石油化工、電站等能源行業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)其長(zhǎng)期工作于高溫、高壓、易腐蝕等惡劣環(huán)境時(shí)，受各種外力作用或自身制造工藝原因，產(chǎn)生不同程度的缺陷，影響管道的安全運(yùn)行，因此管道檢測(cè)對(duì)管道安全評(píng)價(jià)具有重要意義[1-2]。電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此能便捷地實(shí)現(xiàn)缺陷的在線檢測(cè)而受到越來(lái)越多的關(guān)注[3]。但管道缺陷檢測(cè)中，EMAT激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài)復(fù)雜，不僅具有頻散和多模態(tài)特點(diǎn)，且是雙向傳播，增加了檢測(cè)信號(hào)的分析難度，影響最終缺陷位置的判定[4-5]。

關(guān)于電磁超聲單方向控制的研究較少，多為某一聚焦點(diǎn)或某一線上的聚焦。Z.Wei[6-7]等基于磁致伸縮換能器原理，提出了一種由鎳箔組成的彎曲折形線圈，在板中實(shí)現(xiàn)全向檢測(cè)；與傳統(tǒng)換能器對(duì)比，提高了數(shù)據(jù)的提取精度，且得到更純凈的水平剪切波。Y.Zhang[8]等提出一種基于磁致伸縮原理的SH0-EMAT，對(duì)換能器工作參數(shù)進(jìn)行了理論分析，實(shí)現(xiàn)板中聲波方向可控。賈曉軍[9-10]等提出變間距同心結(jié)構(gòu)的點(diǎn)聚焦回折形線圈EMAT，將超聲波集中到一個(gè)點(diǎn)，并通過(guò)與驅(qū)動(dòng)頻率相關(guān)的波模式控制驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)波形的控制。N. Nakamura[11]等人提出了弧形變間距的垂直剪切波點(diǎn)聚焦電磁超聲換能器，在一個(gè)相位焦點(diǎn)處累積同心線源產(chǎn)生SV波，提高了缺陷的檢測(cè)能力，在管道腐蝕、裂紋的非接觸檢測(cè)中效果明顯。T. Takishita[12]等人利用線源SV波原理，提出了基于回折形線圈的剪切垂直波點(diǎn)聚焦電磁超聲換能器，使得所有激發(fā)的垂直剪切波相位在一個(gè)焦點(diǎn)處聚焦，并對(duì)聚焦區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，證實(shí)了該換能器焦距尺寸足夠小，可實(shí)現(xiàn)狹縫缺陷的單向點(diǎn)聚焦控制檢測(cè)，提高了檢測(cè)靈敏度。C. Thring[13-14]等人提出一種高分辨率聚焦電磁超聲換能器，通過(guò)激光測(cè)振法和有限元模型對(duì)聚焦特性和孔徑角效應(yīng)進(jìn)行了分析，表明聚焦EMAT具有良好的信噪比，可用于特定方向的聲場(chǎng)聚焦檢測(cè)。上述研究均針對(duì)某一點(diǎn)控制或線控制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)管道中超聲波方向以及強(qiáng)弱的控制。

本文針對(duì)常規(guī)電磁超聲導(dǎo)波換能器檢測(cè)信號(hào)雙向傳播，對(duì)于缺陷信號(hào)的識(shí)別定位困難的問(wèn)題，推導(dǎo)波疊加數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出了單向電磁超聲導(dǎo)波換能器(unidirectional electromagnetic acoustic transducer，U-EMAT)。有限元仿真對(duì)用于管道缺陷檢測(cè)的U-EMAT的多物理場(chǎng)有限元建模和仿真分析，驗(yàn)證了不同延遲時(shí)間時(shí)，該換能器激勵(lì)超聲波位移的單向變化規(guī)律；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同導(dǎo)線間距與不同延遲時(shí)間參數(shù)下的U-EMAT進(jìn)行對(duì)比分析，并與常規(guī)EMAT進(jìn)行了方向控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了U-EMAT單向控制的可行性以及檢測(cè)信號(hào)易于識(shí)別的可行性，提高了管道檢測(cè)的效率。

1 雙激勵(lì)線圈疊加理論

EMAT產(chǎn)生的超聲波在傳播過(guò)程中，產(chǎn)生聲波的數(shù)學(xué)函數(shù)為[15-16]：

(1)

式中：x為平衡位移；y為x軸上質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移；u為波動(dòng)位移幅值；ω=2π/T，T為周期；t為時(shí)間；v為波速；φ為相位。

相同頻率與相位的A線圈與B線圈構(gòu)成的換能器A-EMAT、B-EMAT，產(chǎn)生的兩列波向左傳播并疊加時(shí)，疊加產(chǎn)生的波動(dòng)位移方程y表示為

(2)

式中：yA為A-EMAT中x軸上質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移；yB為B-EMAT中x軸上質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移；uA為A-EMAT中波動(dòng)位移幅值；uB為B-EMAT中波動(dòng)位移幅值；Δt為B-EMAT中激勵(lì)電流延遲A-EMAT中激勵(lì)電流的時(shí)間；Δx為B-EMAT中線圈導(dǎo)線與A-EMAT中線圈導(dǎo)線間距。

若向左傳播的超聲波幅值疊加后為零，則uA=uB，且A-EMAT與B-EMAT激勵(lì)線圈相位差為nT±T/2(n為自然數(shù))時(shí)，如式(3)：

(3)

為了盡量縮小A-EMAT與B-EMAT間距，防止多周期的影響，因此令二者相位差為T(mén)/2或-T/2。當(dāng)二者相位差為T(mén)/2時(shí)，式(3)可變?yōu)椋?/p>

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行整理，則有：

(5)

式中：λ為波長(zhǎng)；f為頻率。

式(5)進(jìn)一步整理可得：

(6)

-2Δtλf-2Δx=λ

(7)

又因?yàn)椋?/p>

Δx=Δt·v=Δt·λf

(8)

則式(7)變?yōu)?/p>

-4Δx=λ

(9)

即：

(10)

當(dāng)二者相位差為-T/2時(shí)：

(11)

由式(10)和式(11)可知，當(dāng)A-EMAT與B-EMAT中相鄰導(dǎo)線間距為λ/4或3λ/4，B-EMAT中激勵(lì)時(shí)間比A-EMAT中激勵(lì)時(shí)間延遲T/4或3T/4時(shí)，向左傳播的超聲波幅值疊加為零(或向右傳播的超聲波幅值疊加為零)。

由于EMAT同時(shí)向工件兩側(cè)傳播超聲波，當(dāng)向左傳播的超聲波疊加為零時(shí)，向右傳播的超聲波的表達(dá)式為

(12)

將推導(dǎo)得出的延遲時(shí)間差與相鄰導(dǎo)線間距帶入向右傳播的聲波表達(dá)式，則有：

(13)

式(13)計(jì)算結(jié)果為零，即向右傳播的兩列波的波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，疊加幅值為兩者幅值之和。

2 U-EMAT結(jié)構(gòu)

基于上述波的疊加數(shù)學(xué)模型結(jié)果，建立U-EMAT，原理如圖1所示。

圖1 U-EMAT原理圖

圖1中，永磁鐵提供水平方向磁場(chǎng)；線圈由兩個(gè)回折形線圈組成，組合后線圈的相鄰導(dǎo)線間距為λ/4，線圈B中電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲T/4。即t=0時(shí)刻，線圈A正下方的質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生超聲波；t=T/4時(shí)刻，線圈B正下方質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生超聲波，此時(shí)線圈A所產(chǎn)生的超聲波已經(jīng)沿傳播方向傳播了λ/4。線圈右側(cè)，線圈A、B激勵(lì)產(chǎn)生的超聲波相位相同，合位移為線圈A或B單獨(dú)產(chǎn)生超聲波位移的2倍。線圈左側(cè)，兩線圈激勵(lì)產(chǎn)生的超聲波位移相位相反，超聲波相互抵消，合位移為0，即線圈左側(cè)為削弱側(cè)。若更改增強(qiáng)波和削弱波的方向，則更改線圈B與線圈A中的延時(shí)時(shí)間，即令線圈A中電流激勵(lì)時(shí)間比線圈B中激勵(lì)電流時(shí)間延遲T/4。因此，通過(guò)控制2個(gè)線圈中電流的延遲時(shí)間來(lái)控制聲波主能量的傳播方向，進(jìn)而利用增強(qiáng)側(cè)的高幅值超聲波進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電磁超聲導(dǎo)波的單向激勵(lì)，提高信噪比，降低回波信號(hào)的復(fù)雜程度。

實(shí)際由于靜態(tài)偏置磁場(chǎng)分布不均勻，兩個(gè)線圈激發(fā)的超聲波幅值不完全相同，不能保證超聲波的相位完全疊加或完全反相抵消。

3 U-EMAT有限元仿真

為驗(yàn)證U-EMAT單向傳播的性質(zhì)，建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。其中，換能器交直流電磁場(chǎng)部分采用交直流磁場(chǎng)模塊，位移的產(chǎn)生和波的傳播過(guò)程采用結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊[17-20]。

模型中，釹鐵硼永磁體尺寸為50 mm×30 mm，剩磁為1.4 T。靜磁場(chǎng)方向?yàn)樗椒较?。工件長(zhǎng)度為300 mm、厚度為0.7 mm，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。U-EMAT回折形線圈導(dǎo)線為8根。激勵(lì)信號(hào)頻率為500 kHz，激勵(lì)線圈A與激勵(lì)線圈B中電流周期為2 μs。有限元模型中，超聲波兩接收位置R1與R2處，線圈A與線圈B延遲時(shí)間差分別為0、T/8、2T/8、3T/8、4T/8、5T/8、6T/8、7T/8、T時(shí)，工件中超聲波位移如圖2所示。

圖2 超聲波位移圖

圖2(a)中，線圈A與線圈B無(wú)時(shí)間延遲，此時(shí)R1與R2位置處回波信號(hào)幅值相同；圖2(b)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值開(kāi)始減小，R2位置處回波幅值開(kāi)始增大；圖2(c)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲2T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值最小，R2位置處回波幅值最大；圖2(d)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲3T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值開(kāi)始增大，R2位置處回波幅值開(kāi)始減?。粓D2(e)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲4T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值繼續(xù)增大，R2位置處回波幅值繼續(xù)減小；圖2(f)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲5T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值經(jīng)進(jìn)一步增大，R2位置處回波幅值進(jìn)一步減小；圖2(g)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲6T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值達(dá)到左側(cè)最大值，R2位置處回波幅值達(dá)到右側(cè)最小值；圖2(h)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲7T/8，此時(shí)R1位置處回波幅值開(kāi)始減小，R2位置處回波幅值開(kāi)始增大；圖2(i)中，線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲T，此時(shí)R1位置處和R2位置處回波幅值相同。上述整個(gè)變化過(guò)程中，增強(qiáng)側(cè)回波位移變化過(guò)程與削弱側(cè)回波位移變化過(guò)程呈現(xiàn)周期函數(shù)特征，且兩周期函數(shù)相位差為π。

U-EMAT模擬仿真結(jié)果表明，當(dāng)激勵(lì)線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲2T/8時(shí)，U-EMAT產(chǎn)生單向傳播的超聲導(dǎo)波，向右傳播的超聲波位移幅值較大，向左側(cè)傳播的超聲波位移幾乎為零；當(dāng)激勵(lì)線圈B中激勵(lì)電流激勵(lì)時(shí)間比線圈A中激勵(lì)電流時(shí)間延遲6T/8時(shí)，向左傳播的超聲波位移幅值較大，向右側(cè)傳播的超聲波位移幾乎為零。即更改延遲時(shí)間，可控制U-EMAT回波信號(hào)增強(qiáng)側(cè)的方向以及回波信號(hào)的強(qiáng)弱。為了進(jìn)一步對(duì)提出的換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與分析。

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

實(shí)驗(yàn)研究中，采用收發(fā)分離檢測(cè)方式進(jìn)行U-EMAT線圈參數(shù)特性實(shí)驗(yàn)、采用收發(fā)一體方式進(jìn)行常規(guī)EMAT與U-EMAT缺陷檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，永磁體整體幾何尺寸為：長(zhǎng)50 mm，寬50 mm，高30 mm；管道幾何尺寸為：長(zhǎng)3 000 mm，外徑110 mm，內(nèi)徑100 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)中，T為激勵(lì)換能器，R1、R2為接收換能器。激勵(lì)換能器分別采用常規(guī)EMAT與U-EMAT，接收換能器均采用常規(guī)EMAT。RITEC-RAM5000產(chǎn)生高頻脈沖，輸出兩路激勵(lì)信號(hào)，分別作用于U-EMAT線圈A與線圈B。接收EMAT在R1、R2位置接收。接收換能器將波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)阻抗匹配與前置放大后由RITEC-RAM5000接收，示波器顯示回波。經(jīng)頻率掃查，確定UC-EMAT激勵(lì)信號(hào)頻率為f=0.50 MHz。接收EMAT的高通濾波器截止頻率為0.1 MHz，低通濾波器截止頻率為20 MHz。

4.1 U-EMAT線圈參數(shù)特性實(shí)驗(yàn)

線圈參數(shù)特性實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)換能器T到接收換能器R1與R2的距離均為1 000 mm，R1與左端面距離為500 mm，R2與右端面距離為500 mm。換能器布置示意圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

為驗(yàn)證U-EMAT線圈幾何參數(shù)與電氣參數(shù)性能，令U-EMAT中A線圈與B線圈的相對(duì)間距分別為0、λ/4、2λ/4、3λ/4，并令各間距下的A線圈與B線圈延遲時(shí)間分別為0、T/4、2T/4、3T/4、T。

當(dāng)相鄰導(dǎo)線間距不同，且線圈A與線圈B延遲時(shí)間不同時(shí)，仿真與實(shí)驗(yàn)中接收換能器R1與接收換能器R2分別提取直達(dá)波信號(hào)的峰值，得到線圈參數(shù)特性誤差曲線。R1-FES為R1位置仿真結(jié)果，R2-FES為R2位置仿真結(jié)果，R1-Exp為R1位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果，R2-Exp為R2位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)Δt=0～T，Δx分別為0、λ/4、2λ/4、3λ/4時(shí)，回波變化曲線如圖5所示。

圖5(a)中，相鄰導(dǎo)線間距為0，線圈A與線圈B激勵(lì)延遲時(shí)間分別為0、T/8、2T/8、3T/8、4T/8、5T/8、6T/8、7T/8、T，R1位置處與R2位置處回波信號(hào)變化趨勢(shì)相同，回波幅值呈現(xiàn)先減小后增大變化趨勢(shì)。圖5(b)中，相鄰導(dǎo)線間距為λ/4，R1位置處與R2位置處兩回波均為周期變化的正弦函數(shù)，但二者相位相反。圖5(c)相鄰導(dǎo)線間距為2λ/4，R1位置處與R2位置處回波信號(hào)變化趨勢(shì)相同。5(d)相鄰導(dǎo)線間距為3λ/4，R1位置處與R2位置處兩回波均為周期變化的正弦函數(shù)，但二者相位相反，且與圖5(b)中兩曲線變化趨勢(shì)相反。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)中，R1位置處與R2位置處，仿真回波信號(hào)幅值與實(shí)驗(yàn)得到的回波信號(hào)幅值吻合較好，證明了研究結(jié)果的正確性。

通過(guò)上述選取的最佳激勵(lì)參數(shù)，進(jìn)行缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該單向電磁超聲導(dǎo)波換能器在缺陷檢測(cè)中的單相可控性。

(a)Δx=0

(b)Δx=λ/4

(c)Δx=2λ/4

(d)Δx=3λ/4圖5 U-EMAT線圈參數(shù)特性誤差曲線圖

4.2 缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，令常規(guī)EMAT與U-EMAT分別進(jìn)行缺陷檢測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比。管道中換能器位置分布如圖6所示。

圖6 換能器與缺陷位置關(guān)系圖

缺陷檢測(cè)中，激勵(lì)換能器T與接收換能器R位置為零。分別令激勵(lì)換能器為常規(guī)EMAT、向右增強(qiáng)型U-EMAT、向左增強(qiáng)型U-EMAT，得到的缺陷檢測(cè)回波信號(hào)與超聲波聲程如圖7所示。

(a)常規(guī)EMAT

(b)向右增強(qiáng)型EMAT

(c)向左增強(qiáng)型EMAT圖7 缺陷回波與超聲波聲程圖

圖中，W1～W4為回波1～回波4。圖7(a)為常規(guī)EMAT缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)回波，在缺陷處以及左側(cè)端面均有回波，證明了常規(guī)EMAT向換能器兩側(cè)均傳播超聲波。圖7(b)為向右增強(qiáng)型U-EMAT缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)，僅在缺陷處有回波，且相比于常規(guī)EMAT，回波信號(hào)幅值明顯增強(qiáng)，證明了U-EMAT的單向性。圖7(c)為向左增強(qiáng)型U-EMAT缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)，在左側(cè)端面處和缺陷處有回波，且相比于常規(guī)EMAT，回波信號(hào)幅值明顯增強(qiáng)。

上述缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可知，U-EMAT簡(jiǎn)化了回波信號(hào)的復(fù)雜程度，且回波信號(hào)信噪比明顯增強(qiáng)。實(shí)際檢測(cè)中，可根據(jù)檢測(cè)工況選擇向右增強(qiáng)U-EMAT或向左增強(qiáng)U-EMAT，且盡量令U-EMAT檢測(cè)范圍較小，可得到更好的檢測(cè)效果。U-EMAT通過(guò)回波信號(hào)變化趨勢(shì)可判定缺陷數(shù)量與缺陷位置，降低了回波信號(hào)的復(fù)雜程度，使得回波信號(hào)更易于識(shí)別。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)EMAT在管道中檢測(cè)時(shí)，超聲導(dǎo)波信號(hào)沿雙向傳播，致使回波信號(hào)識(shí)別復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種U-EMAT，提高了檢測(cè)信號(hào)的識(shí)別能力與信噪比。通過(guò)建立波疊加的數(shù)學(xué)模型，得出U-EMAT中兩線圈聲波位移疊加關(guān)系，通過(guò)調(diào)整雙線圈的激勵(lì)相對(duì)延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)U-EMAT的單方向控制。研究結(jié)果表明：

(1)U-EMAT中，波疊加數(shù)學(xué)模型理論、有限元仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，證明了研究正確性。

(2)設(shè)計(jì)的U-EMAT增強(qiáng)側(cè)回波信號(hào)幅值疊加增強(qiáng)，與傳統(tǒng)換能器結(jié)構(gòu)聲波幅值的比為5.74 dB；減弱側(cè)回波信號(hào)幅值疊加近乎為零。

(3)延遲時(shí)間和線圈相對(duì)距離存在一定的固有關(guān)系，當(dāng)A、B線圈相對(duì)距離為λ/4或3λ/4，且延遲時(shí)間為T(mén)/4或3T/4時(shí)單向控制效果最好，單向傳播方向相反。

(4)U-EMAT在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)用性較好，提高了管道檢測(cè)中的識(shí)別與定位能力，降低了檢測(cè)信號(hào)識(shí)別的復(fù)雜程度。